电力电子基础知识大作业

《电力电子技术》课程大作业电力电子技术器件、电路和技术综述

院（系）名称信息工程学院

专业名称电子信息工程技术

学生姓名XXX

学号xxx

指导教师王照平

2015年6月12日

基于电力电子技术器件、电路和技术综述的

1、概述

从广义来讲，电子技术应包含信息电子技术和电力电子技术两大分支，而通常所说的电子技术一般指信息电子技术。

电力电子技术也称为电力电子学，它真正成为一门独立的学科始于1957年第一只晶闸管的问世。在1970年国际电气和电子工程协会（IEEE）电力电子学会上对电力电子技术作了以下定义：“电力电子技术就是有效地使用电力电子器件，应用电路和设计理论及分析开发工具，实现对电能的高效能变换和控制的一门技术。它包括对电压、电流频率和波形的变换。”简言之，电力电子技术就是利用电力电子器件对电能形态进行变换和控制的一门技术。

电力电子技术是电力、电子控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科，它们之间的关系可用倒三角图形描述，如图1-1所示。

图1-1 描述电力电子学的倒三角形

第一，电力电子技术是在电子技术的基础上发展起来的，它们都可可分为器件、电路和应用三个部分，且器件的材料和制造工艺基本相同，只有两者的应用目的有所不同，电子技术应用于信息的处理（如放大等），电力电子技术应用于电力变换和控制，它所变

换的功率可大到数百甚至数千兆瓦，也可以小到几瓦或毫瓦数量级。第二，电力电子技术广泛应用于电器工程，如高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动、电解、励磁、电加热、高性能交直流电源等电力系统和电器工程中，它对电器工程的现代化起着重要推动作用。第三，电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技术，是弱点和强电之间的接口。而控制理论是实现这种接口的一种强有力的纽带,是电力电子技术重要理论依据。所以，也可以认为：电力电子技术是运用控制理论将电子技术应用到电力领域的综合性技术。

2、电力电子常用器件

2.1、电力电子器件概念

可以直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。

2.2、电力电子器件分类

按照电力电子器件能够被控制所实现控制的程度分为下列三类：

不可控器件(Power Diode)：不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。

半控型器件（Thyristor）：通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断

全控型器件（IGBT,MOSFET)：通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。

按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的信号的性质，我们又可以将电力电子器件分为电流驱动型和电压驱动型两类：

电流驱动型：通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。

电压驱动型：仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。

2.3、不可控器件—电力二极管

2.3.1 电力二极管的工作原理

基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管是一样的。由一个面积较大的PN 结和两端引线以及封装外壳组成。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。如图

2-1所示

图2-1 电力二极管的外形、结构和电气符号

（a) 外形 （b) 结构 （c) 电气图形符号

二极管的基本原理就在于PN 结的单向导电性这一主要特征

PN 结的反向击穿（两种形式）：雪崩击穿、齐纳击穿。均可能导致热击穿(永久性击穿）

2.3.2 电力二极管与信息电子电路中的普通二极管 的区别

由于电力二极管正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高，而且其引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响；再加上其承受的 状态

参数

正向导通 反向截止 反向击穿 电流 正向大 几乎为零 反向大

电压 维持1V 反向大 反向大

阻态

低阻态 高阻态 - -

电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大的影响。此外，为了提高器件的反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大。

2.4 半控型器件-晶闸管

晶闸管这个名称往往专指普通晶闸管（SCR），但随着电力电子技术的发展。晶闸管还应包括许多类型的派生器件。包括快速晶闸管（FST）、双向晶闸管（TRIAC）、逆导晶闸管（RCT）和光控晶闸管（LTT）等。这里所说的晶闸管都是指普通晶闸管。2.4.1 晶闸管的结构及工作原理

按照外形封装形式可分为：小电流塑封式（图a)、小电流螺拴式(图b)、大电流螺拴式额定电流在200A以上(图c)、大电流平板式额定电流在200A以上(图d)、图形符号（图e)

图2-2 晶闸管的外形及图形符号

由于通过门极我们可以控制晶闸管的开通；而通过门极我们不能控制晶闸管的关断，因此，晶闸管才被我们称为半控型器件。

图2-3 晶闸管的管芯结构和等效电路

按照等效电路和晶体管的工作原理，我们可列出如下方程：

IC1＝α1IA ＋ICO1 (2－1)

IC2＝α2IK ＋ICO2 (2－2)

IK ＝IA ＋IG （2－3)

IA ＝IC1＋IC2 (2－4)

α1＝IC1/IA 、α2＝IC2/IK 分别是晶体管V1和V2的共基极接法的电流放大倍数，ICO1和ICO2则分别是V1和V2的共基极漏电流。推出：

（1-5）

在低发射极电流下

是很小的，而当发射极电流建立起来之后， 迅速增大。 阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流

之和。 饱和导通：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA ，将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA 实际由外电路决定。 晶闸管导通的必要条件是： 必须在晶闸管的阳极、阴极加上正向电压。 必须在门极和阴极之间加上正向门极电压，也称为触发电压。

流过晶闸管的阳极电压IA 必须大于晶闸管的维持电流IH 。

2.5 晶闸管的应用

已被广泛应用于可控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域。

2.6 全控型电力电子器件

晶闸管通过控制信号可以控制其导通，而无法控制其关断，因此，我们称其为半控型器件。通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断的电力电子器件被称为全控型器件。是当前电力电子器件中发展最快的一类器件，这类器件品种很多，目前常见的有门极可关断晶闸管（GTO ）、电力晶体管（GTR ）、电力场效应晶体管（Power MOSFET ）、结缘栅双极型晶体管（IGBT ）等。

)(1212

12ααα+-++=

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